Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có vai trò rất quan trọng. Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của con người trong các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng còn giúp chúng ta trong lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được tối đa các ứng dụng của điện năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì việc bảo vệ là hết sức quan trọng. Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác hay phải tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện gặp sự cố.Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn. Nhưng với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích, hơn nữa giá thành lại khá cao. Để khác phục những nhược điểm trên em xin đưa ra một số phương pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay thế cho các khí cụ điện. Dùng các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ của nó không khác gì so với các khí cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử không tiếp điểm này khiến cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạo được.Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Đề tài gồm có 4 chương:

LỜI MỞ ĐẦUTrong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng cóvai trò rất quan trọng Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động củacon người trong các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năngcòn giúp chúng ta trong lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt đượctối đa các ứng dụng của điện năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thìviệc bảo vệ là hết sức quan trọng Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng

ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác hay phảitách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện gặp sự cố

Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn.Nhưng với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích,hơn nữa giá thành lại khá cao Để khác phục những nhược điểm trên em xinđưa ra một số phương pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thaythế cho các khí cụ điện Dùng các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệcủa nó không khác gì so với các khí cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tửkhông tiếp điểm này khiến cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể Khôngnhững thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạođược

Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Đề tài gồm có 4

chương:

Chương I: Các sự cố thường gặp

Chương II: Tìm hiểu biện pháp bảo vệ cổ điển

Chương III: Phương pháp bảo vệ dùng thiết bị bán dẫn

Chương IV: Tính chọn thiết bị

Ban đầu, khi nhận được đề tài em cảm thấy rất do dự, không biết khảnăng của mình có thể hoàn thành được đề tài hay không, nhưng sau một thời

gian học tập tại xưởng, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Trương Huy và các

thầy cô giáo trong khoa, cùng với các bạn đến nay đồ án đồ án của em đã hoànthành Mặc dù vậy vì thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót

Em mong được các thầy cô giúp đỡ thêm để em có được những kiến thức bổích để bước vào ngành khoa học đầy thú vị này!

Em xin cảm ơn!

Đại Học Sao Đỏ, ngày… tháng… Năm 2014

Sinh viên

CHƯƠNG I: CÁC SỰ CỐ THƯỜNG GẶPTrong quá trình vận hành, hệ thống truyền động điện có thể xuất hiện sự

cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử

Trong phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăngkhá cao và điện áp giảm khá thấp Các thiết bị có dòng tăng cao chạy qua cóthể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng Khi điệp áp giảm thấp các hộtiêu thụ không thể làm việc bình thường và tính ổn định của các máy móc làmviệc song song và của toàn bộ hệ thống bị giảm Các chế độ làm việc khôngbình thường làm cho áp, dòng, tần số lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu kéodài tình trạng này có thể dẫn đến sự cố

Như vậy, có thể nói sự cố làm rối loạn sự làm việc bình thường của hệthống truyền động điện nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng Cònchế độ làm việc không bình thường có thể tạo ngay khi xuất hiện sự cố

Muốn duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống và của các hộ tiêuthụ khi xuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh cành tốt chỗ bị sự cố và cách

li nó khỏi phần tử không bị hư hỏng, nhờ vậy phần còn lại hoạt động nhưthường và đồng thời giảm được mức độ hư hại của phần tử bị sự cố Chỉ cóthiết bị tự động bảo vệ mới có thể thực hiện tốt yêu cầu trên.Các thiết bị bảo vệnày theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của hệthống điện Khi xuất hiên sự cố các phần tử bảo vệ phát hiện và cắt phần tửhỏng ra khỏi lưới điện.Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường thiết

bị bảo vệ sẽ phát hiện và tùy thuộc vào yêu cầu có thể tác động để khôi phục lạichế độ làm việc bình thường hoặc báo tin cho nhân viên trực tiếp

Trong thực tế đối với hệ thống điện thường xảy ra các sự cố sau:

1.1 Sự cố ngắn mạch

1.1.1 Khái niệm sự cố ngắn mạch

Ngắn mạch là hiện tượng nguồn điện khép kín mạch tạo thành dòng điện

mà không đi qua phụ tải

Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượngchạm

chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường

- Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một phahay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch

- Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiệntượng

chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất Dòng chạm đất chủ yếu là dođiện dung các pha với đất

Ngắn mạch gián tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồmđiện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi củadòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất

Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp vàkhó xác định chính xác Theo thực nghiệm:

Trong đó: I - Dòng ngắn mạch [A]

l - Chiều dài hồ quang điện [m]

Ngắn mạch trực tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, cóthể bỏ qua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại)

Ngắn mạch đối xứng là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thốngdòng, áp 3

điểm đó như nhau

- Không đối xứng dọc khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểmkhông

như nhau

Sự cố phức tạp là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch khôngđối xứng

ngang, dọc trong hệ thống điện

Ví dụ: Đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác

nhau trong hệ thống có trung tính cách đất

Inm = Trong đó:

Inm: Dòng điện ngắn mạchU: Điện áp lưới điện

Znm: Điện trở ngắn mạch (Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc chỗngắn mạch)

1.1.2 Điện trở ngắn mạch phụ thuộc vào

- Khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới bảo vệ

- Phụ thuộc vào dây dẫn

- Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc tại vị trí ngắn mạch

Nhưng dù phụ thuộc gì thì điện trở ngắn mạch cũng rất nhỏ do vậy dòngđiện ngắn mạch sẽ rất lớn

1.1.3 Tác hại của sự cố ngắn mạch

- Gây lực điện động rất lớn

- Phá hỏng dây từ điểm ngắn mạch tới nguồn

- Phát nóng: Dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho cácphần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thờigian rất ngắn

- Tăng lực điện động: Ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ởthời gian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị

- Điện áp giảm và mất đối xứng: Làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện ápgiảm 30 đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay,sản xuất đình trệ, có thể làm hỏng sản phẩm

- Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự khôngsinh ra khi

1.2.1 Khái niện quá tải

- Quá tải là hiện tượng thiết bị phải làm việc vượt quá khả năng về mặtcông xuất nhà chế tạo đã đặt Qúa tải là sự cố khá phổ biến của động cơ khôngđồng bộ 3 pha

- Biểu hiện của sự cố quá tải:

+ Dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức, khi bị sự cố quá tảidòng điện sẽ tăng lên vượt qua trị số dòng điện dịnh mức của động cơ làm nóngđồng cơ.Tốc độ làm việc nhỏ hơn tốc độ định mức, nhiệt độ lớn hơn nhiệt độphát nóng cho phép của động cơ

+ Sự cố quá tải được chia làm 2 loại:

Quá tải ngắn hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điệnđịnh mức 2 đến 3 lần nhưng trong thời gian ngắn

Quá tải dài hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện địnhmức 1,2 đến 1,4 lần trong thời gian dài Quá tải dài hạn làm cho nhiệt độ động

cớ lớn hơn nhiệt độ cho phép

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến quá tải

Đối với quá tải ngắn hạn:

Khởi động động cơ

Ikđ= (2 đến 5)Iđm

U ư = E đ + Iư.rư

Eđ = Ke n

Khi bắt đầu khởi động Eđ=0

Suy ra I ư= I kđ = U ư/ rư

Do vậy dòng khởi động rất lớn

Đối với quá tải dài hạn

+ Do lưới điện bị tụt

+ Mất điện một pha

1.2.3 Tác hại của sự cố quá tải

- Quá tải ngắn hạn có thể gây hư hỏng cho thiết bị về mặt cơ khí

- Quá tải dài hạn làm hỏng các cách điện, hỏng do nhiệt

- Làm già hóa cuộn dây

- Do vậy phải tìm cách bảo vệ để sự cố chưa kịp gây ra tác hại

1.3 Sự cố mất pha, đảo pha

1.3.1 Khái niệm

Trong thực tế khi vận hành hệ thống điện ba pha đặt ra rất nhiều vấn đề.Nguồn điện được nhà máy tạo ra là nguồn điện xoay chiều ba pha Nguồn điệnnày đến được nơi tiêu thụ cần qua dây dẫn truyền tải và các trạm biến áp.Trong các thiết bị điện ba pha để tránh nhầm lẫn nhà chế tạo đã chỉ dẫn bằngmàu Nhưng vì lí do nào đó khi sửa chữa hoặc lắp đặt dẫn đến thứ tự các pha bịthay đổi Điều này rất nguy hiểm cho phụ tải Do vậy cần có các thiết bị bảo vệcho sự cố mất pha hay đảo pha

Sự cố mất pha là sự cố mà lưới điện cung cấp ba pha không còn đủ bapha cung cấp cho phụ tải

Điện ba pha là điện được định nghĩa là có ít nhất ba dây, điện áp giữahai dây luôn bằng nhau và lệch nhau 120 độ

Đối với điện ba pha bốn dây thì có thêm dây trung tính, người ta cóthêm khái niệm điện áp pha tức là giữa 1 pha với trung tính Điện áp pha của 3pha cũng bằng nhau và cũng lệch nhau 120 độ

Như vậy hệ thống điện 3 pha nào không thỏa mãn điều kiện trên thì bịgọi là mất pha Khi bị mất pha nào thì điện áp pha đó giảm đến một giá trị nào

đó hoặc về 0 và góc lệch pha cũng bị biến đổi

1.3.2 Biểu hiện của sự cố mất pha

Đối với các phụ tải ba pha sẽ dẫn đến tình trạng quá tải dài hạn do thiết

bị điện áp cung cấp bị sụt đi Đối với các phụ tải một pha sẽ không làm việcđược nếu mất pha chính là pha cung cấp cho phụ tải

1.3.3 Nguyên nhân dẫn đến sự cố mất pha.

- Đa số nguyên nhân mất pha là do hở mạch đứt dây, đứt chì, tiếp xúckém trong các khí cụ điện

- Mất pha có thể do chạm đất mà rơ le chưa kịp bảo vệ hoặc từ chối bảovệ

- Mất pha do hỏng máy biến áp

- Mất pha có thể phân biệt mất pha nguồn máy biến áp, mất pha sơ cấpmáy biến áp, mất pha thứ cấp máy biến áp, mất pha do hệ thống, mất pha doriêng một thiết bị

1.3.4 Tác hại của sự cố mất pha

Vì một sự cố nào đó gây nên hiện tượng mất pha đảo pha cho toàn hệthống điện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc khôngbình thường rất nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống

Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng nhau, góc lệch pha cũng khôngbằng nhau vì thế khi đưa động cơ vào nó sẽ ko tạo ra từ trường quay mà tạo ra

từ trường đập mạch Vì thế động cơ không khởi động được, dòng điện sẽ tăngcao ở các pha không bị mất, pha bị mất dòng điện bằng 0 Còn khi động cơđang hoạt động bị mất pha thì công suất của các pha còn lại sẽ tăng lên, pha bịmất sẽ giảm xuống Nếu động cơ lớn các pha còn lại sẽ làm việc ở chế độ quátải sẽ gây hại rất lớn cho hệ thống, gây hư hại cho thiết bị điện

Khi thứ tự các pha bị thay đổi tức là các pha không lần lượt đạt cực đạisau 120 độ nó làm thay đổi từ trường của động cơ, làm cho động cơ quay

ngược lại so với chiều ban đầu Nếu trong các hệ thống mà động cơ chỉ quaymột chiều thì việc đảo chiều quay là vô cùng nguy hiểm nó có thể phá hỏng hệthống cơ khí và các thiết bị điện gây thiệt hại nặng.

Tình trạng mất pha, đảo pha là rất nguy hiểm người ta đã thiết kế nhiềucách bảo vệ cho hề thống Một trong nhưng cách đó là sử dụng rơ le nhệt vớinguyên lý dựa vào dòng tải và điện áp

1.3.5 Bảo vệ đối với sự cố mất pha, đảo pha

Yêu cầu đối với sự cố mất pha là khi xảy ra sự cố mất pha cần phải ngắtngay nguồn cũng cấp bị mất pha ra khỏi phụ tải, tránh những hiện tượng làmkhi không đủ pha dẫn đến các sự cố khác

Khi bị đảo pha hệ thống phải dừng làm việc

1.4 Sự cố cao – thấp điện áp

1.4.1 Khái niệm

Trong quá trình làm việc vì một hay nhiều nguyên nhân nào đó mà điện

áp cấp cho động cơ không được duy trì ổn định, tạo ra sự sai khác với điện ápđịnh mức

Sự cố cao thấp điện áp là sự cố mà điện áp tăng quá 10% điện áp địnhmức hoặc giảm quá 25% điện áp định mức

1.4.2 Biểu hiện của sự cố cao – thấp điện áp

Bằng trực quan quan sát ta thấy, tốc độ của động cơ tăng hay giảm hơn

so với bình thường, đối với các thiết bị khác công suất cũng tăng giảm bấtthường

1.4.3 Tác hại của sự cố cao - thấp điện áp

Sự cố cao thấp điện áp sẽ gây ra tốc độ động cơ không đều Đối với máysản xuất các chi tiết có chất lượng cao thì việc thay đổi tốc độ động cơ sẽ ảnhhưởng tới chất lượng sản phẩm Sự cố cao thấp điện áp còn gây phá hỏng vậtliệu cách điện và các khí cụ điện Khi điện áp tăng, giảm quá mức cho phép sẽgây phát nóng trong các khí cụ điện và phá hủy lớp cách điện

1.4.4 Nguyên nhân của sự cố cao - thấp điện áp

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố cao - thấp điện áp Nhưng vìnguyên nhân nào thì khi xảy ra sự cố cao - thấp điện áp cũng gây ra các hiệntượng không mong muốn Vì vậy cần phải bảo vệ cho động cơ và hệ thông điệnkhi có sự cố cao – thấp điện áp xảy ra để nó không kịp gây tác hại

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CỔ ĐIỂNĐối với hệ thống điều khiển tự động bảo vệ truyền động điện có thể cónhiều nguyên nhân dẫn đến các sự cố như: ngắn mạch, quá tải ngắn hạn, quá tảidài hạn, điện áp cao – thấp… Các sự cố này khi xảy ra có thể phá hỏng động cơtruyền động cũng như các khí cụ điện khác Vì vậy việc bảo vệ cho các động cơnói riêng và toàn bộ lưới điện nói chung là rất cần thiết Phương pháp bảo vệkinh điển là phương pháp dùng cầu chì, aptomat, các loại rơle, công tắc tơ bảo

vệ các loại sự cố có thể xảy ra Khi có sự cố, các thiết bị này sẽ tác động đểtách động cơ truyền động và hệ thống ra khỏi lưới điện Đảm bảo anh toàn chomáy móc thiết bị cũng như bảo đảm an toàn cho con người.

Để giải quyết vấn đề chọn loại bảo vệ nào, tác động của bảo vệ là cắtnhanh hay duy trì thời gian rồi cắt hoặc chỉ báo tín hiệu Trong từng trường hợp

cụ thể cần phải tuân thủ đúng các quy định trong tiêu chuẩn của khí cụ điện vàquy phạm vận hành của hệ thống Ta cần tìm hiểu một số phương pháp bảo vệcho sự cố ngắn mạch, quá tải, sự cố cao- thấp điện áp

2.1 Phương pháp bảo vệ ngắn mạch

2.1.1 Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì

Cầu chì là khí cụ điện đơn giản nhất, kích thước nhỏ, khả năng đóng cắtlớn

a Cấu tạo của cầu chì:

Cầu chì nói chung gồm ba bộ phận:

- Vỏ: Được dùng làm bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt và có nhiềuthành vách

- Dây chảy: Được làm bằng kim loại (chì…) là bộ phận chính, tỏa nhiệt

- Giai đoạn 1: Kể từ khi xảy ra sự cố cho đến khí nhiệt độ bằng nhiệt độnóng chảy.

- Giai đoạn 2: Dây chảy bắt đầu chảy

- Giai đoạn 3: Hồ quang xuất hiện và dập tắt hồ quang

Trạng thái làm việc nặng nề của dây chảy khi nó chuyển từ trạng thái 1sang trạng thái 2 Để giảm trạng thái làm việc nặng nề cần:

+ Nếu dây chảy có tiết diện tròn thì ta sử dụng hiện tượng hiệu ứngluyện kim

gắn với với dây chảy một giọt kim loại mà:

Ønckl< ØncdcTrong đó:

Ønckl: Nhiệt độ nóng chảy dọt kim loại

Øncdc: Nhiệt độ nóng chảy dây chảy

+ Nếu dây chảy có tiết diện chữ nhật ta cắt hẹp tiết diện nganh của dâychảy, gây phát nóng cục bộ tại chỗ hẹp

c Đặc tính bảo vệ của dây chảy:

Là quan hệ giữa dòng điện và thời gian tác động của dây chảy Đặc tínhA-S, cần phải phối hợp đặc tính A-S của dây chảy với đặc tính A-S cần bảo vệ

d Yêu cầu đối với cầu chì:

- Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính A-s của đối tượng bảovệ

- Khí có ngắn mạch cầu chì phải làm việc có lựa chọn theo thứ tự.

- Cầu chì phải có đặc tính làm việc ổn định

- Công suất của thiết bị càng tăng thì khả năng cắt của cầu chì phải càngcao

- Việc thay thế dây chảy phải đảm bảo đặc tính A-s như tính toán thiết

kế ban đầu

Lựa chọn cầu chì phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Quan hệ giữa điên áp trên cầu chì và điện áp lưới

Ucc>UlTrong đó:

Ucc: Điện áp của cầu chìUl: Điện áp lưới

+ Quan hệ giữa dòng điện dây chảy và dòng điện làm việc:

Tcc= k.ImaxTrong đó:

Icc: Dòng điện cầu chìK: Hệ số an toàn, phụ thuộc đặc tính của tảiImax: Dòng tải lớn nhất

+ Thời gian chảy ngắn nhất của dây chảy có thể đạt được nếu thỏa mãn

Trong đó:

Inm: Dòng ngắn mạch

Icc: Dòng điện dây chảy

Nhược điểm khi dùng cầu chì bảo vệ:

- Đặc tính bảo vệ của cầu chì sẽ thay đổi nếu thay dây chảy, có thể cầu

chì sẽ mất tác dụng bảo vệ nếu thay dây chảy không đúng

- Đối với hệ truyền động ba pha, trường hợp ngắn mạch 1pha này bị cắt

dẫn đến chế độ công tác 2 pha Vì vậy cần có thêm các biện pháp bảo vệ khác

để khắc phục nhược điểm này

2.1.2 Bảo vệ bằng Aptomat

Để thay cho cầu chì thông thường người ta dùng aptomat Aptomat có

đặc tính bảo vệ hoàn thiện hơn so với cầu chì, khi có sự cố aptomat sẽ cắt cả ba

pha tránh được chế độ công tác 2 pha

Cấu tạo chung :

Hình 2.1: Cấu tạo áptomat

4

mớ ra dưới tác dụng của lực lò xo (6) mạch điện được ngắt ra khỏi lưới điện.

Aptomat có 3 yêu cầu:

- Chế độ làm việc định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn.Nghĩa là, trị số dòng điện định mức chạy trong aptomat lâu bao nhiêu cũngđược Mặt khác dòng điện qua aptomat phải chịu dòng lớn (khi có ngắn mạch)lúc tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

- Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn (vài chục KA).Sau khi ngắt dòng ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị sốdòng điện định mức

- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của thiết bị điện, hạn chế

sự phá hoại của dòng ngắn mạch gây ra aptomat phải có thời gian cắt nhỏ dovậy phải kết hợp lực thao tác cơ học với dập hồ quang bên trong aptomat

- Dựa theo tham số bảo vệ và dựa theo tính chất dòng điện bảo vệ màaptomat được chia làm những loại sau:

+ Aptomat một chiều

+ Aptomat xoay chiều

+ Aptomat dòng điện cực đại, cực tiểu

+ Aptomat công suất

+ Aptomat diện áp thấp

2.2 Bảo vệ quá tải ngắn hạn

2.2.1.Bảo vệ quá tải ngắn hạn bằng rơle dòng cực đại

Rơle là phần tử tự động, tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệuđầu vào đạt một giá trị xác định

Cấu tạo chung của rơle, được chia làm ba bộ phận:

- Cơ cấu thu: Thu thập tín hiệu, biến đổi tìn hiệu thành đại lượng cậnthiết để rơle tác động

- Cơ cấu trung gian: Đại lượng đầu ra của cơ cấu thu được chuyển sang

cơ cấu trung gian So sánh đại lượng cơ cấu thu với đại lượng mẫu và truyền tínhiệu đến cơ cấu cuối

- Cơ cấu chấp hành: Thực lệnh của cơ cấu trước đưa sang

Phân loại rơle:

+ Dựa vào tham số bảo vệ:

Rơ le điện áp, rơ le dòng điện.rơ le nhiệt, rơ le công suất

+ Dựa theo loại có tiếp điểm hay không có tiếp điểm:

Rơ le tiếp xúc, rơ le không tiếp xúc

+ Dựa vào nguyên lí làm việc:

Rơ le điện từ, làm việc dựa trên nguyên lí điện từ, được sử dụng nhiềunhất vì kết cấu đơn giản và tính kinh tế cao

Rơ le từ điện, dựa trên sự tác động tương hỗ của từ trường nam châmvĩnh cửu với dòng điện chạy trong cuộn dây nằm ở phần động

Rơ le điện động, dựa trên tác động tương hỗ giữa 2 dòng điện; Giữa mộtdòng đặt trong từ trường được gọi là lực điện động làm phần quay

Rơ le cảm ứng, tác dụng tương hỗ giữa từ trường của một cơ cấu điện từvới dòng điện cảm ứng ở phần động do một từ trường khác tạo nên

Rơ le nhiệt, làm việc trên nguyên lý sự giãn nở của kim loại dự trên tácđộng của nhiệt độ

Đặc tính cơ bản của rơ le:

Rơ le có đường đặc tính cơ bản là dặc tính vào- ra

Đối với rơ le có tiếp xúc:

Quá trình tác động của rơ le:

Với từng loại role khác nhau thì hệ số trở về khác nhau

Với rơ le cực đại: ktv<1

+ Hệ số khuếch đại(hệ số điều khiển)

Pđk = Pkđkkđ =

Trong đó:

Pđk: Công suất điều khiểnPtđ: Công suất chấp hànhVới các loại rơ le khác nhau có hệ số điều khiển khác nhau, với rơ le nàyđược gọi là kđk, còn với rơ le khác lại gọi là k kđ

+ Thời gian tác động của rơ le là khoảng thời gian từ khi có tín hiệu vào

cơ cấu thu cho đến khi cơ cấu chấp hành tác động

Ttđ < 0,001s: Rơ le không có quán tính

0,001s < Ttđ<0,05s: Rơ le tác động nhanh

0,05s<Ttđ<0,15s: Rơ le tác động trung bình

0,15s< Ttđ<1s: Rơ le tác động chậm

Thời gian tác động do nhà chế tạo thiết kế

Rơ le dòng điện cực đại là loại rơ le mà phần ứng của loại rơle này lúc

có điện áp bình thường thì đứng yên Khi điện áp tăng quá mức quy định thìlực điện động thắng lực cẳn rơ le tác động

Rơ le dòng điện cực đại kiểu điện từ, được dùng để bảo vệ quá tải ngắnhạn, ngắn mạch và bảo vệ những thiết bị có công suất lớn

Cấu tạo:

1: Mạch từ2: Cuộn dây 3: Trục4: Nắp cực từ5: Vít điều khiển nghiêng của nắp6: Cơ cấu chấp hành

7: Lò xo nhả8: Kim chỉnh định xoắn

Hình 2.3: Cấu tạo của rơ le

Nguyên lý làm việc:

Mạch từ C đặt ngược, mõm cực từ nhọn, cuộn dây 2 mắc nối tiếp vàodòng điện, khi làm việc bình thường từ thông sinh ra lực từ hút điện từ nhỏ hơnlực lò xo  nắp cực từ không tác động, cơ cấu đang làm việc

13

24

5678

Khi có sự cố từ thông tăng  lực điện từ lớn hơn lực lò xo  nắp cực

từ quay, trục quay mở tiếp điểm làm việc

Đặc điểm: Không được sử dụng ở những nơi không được va đập, rungđộng, tránh gây tác động nhầm

Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối

Đ

D

CDRM

Dg

Dg

3RM

ĐC

Nguyên lý bảo vệ:

Ba rơ le dòng điện cực đại lắp trên ba pha cấp điện cho động cơ Cáctiếp điểm của rơ le được mắc trong mạch điều khiển.khi có sự cố, dòng điệncấp cho động cơ tăng lên, rơ le đạt tới giá trị hút sẽ tác đọng mở các tiếp điểmtrên mạch điều khiển Các tiếp điểm mở sẽ ngắt nguồn cung cấp cho cuộn dây,công tắc tơ, tiếp điểm trên mạch lực nhả động cơ được bảo vệ

2.3 Bảo vệ quá tải dài hạn

2.3.1 Bảo vệ quá tải dài hạn dùng rơ le nhiệt

Rơ le nhiệt là khí cụ điện dựa trên nguyên lý sự dãn nở của kim loạidươi tác dụng của nhiệt độ

Dựa vào cấu tạo và chức năng rơ le nhiệt được chia làm 2 loại:

- Rơ le nhiệt bảo vệ: rơ le nhiệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch có thời gian

- Dùng 2 tấm kim loại có hệ số giãn nở khác nhau (

Tấm 1 có hệ số giãn nở rất nhỏ gọi là thanh bị động

Tấm 2 có có hệ số giãn nở vì nhiệt lớn gọi là thanh chủ động

Bằng công nghệ ép chặt 2 tấm kim loại vào nhau gọi là một chi tiết Gọi

Đốt nóng gián tiếp: Dòng qua điện trở nhiệt mức độ chính xác thấpnhưng chỉ cần tấm kim loại kép nhỏ.

Đốt nóng hỗn hợp: Mắc song song điện trở và thanh kim loại kép, cáchnày thì dẫn đến kết cấu của rơ le trở nên phức tạp

2.3.2 Rơ le nhiệt dùng điều chỉnh nhiệt độ

Nó có tác dụng duy trì một nhiệt độ trong một thiết bị Phần tử nhạy cảmnhiệt tấm kim loại kép được đặt vào nơi cần duy trì nhiệt độ

Rơ le nhiệt không tác động theo trị số dòng điện vì nó cso quán tínhnhiệt lớn thường là vài phút hoặc vài dây do vậy nó không bảo vệ ngắn mạchđược, thường kết hợp rơ le nhiệt và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch

Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối rơ le nhiệt

Dg

Dg

2RN

2RN

Dg

C

A

BA

2.3.3.Nguyên tắc bảo vệ

Khi xảy ra sự cố quá tải dài hạn, dòng điện tăng lên làm nóng thanh kimloại kép và tác dụng vào tiếp điểm thường đóng của rơ le nhiệt mở ra Tiếpđiểm thường đóng của của rơ le nhiệt mở ra cắt điện cho cuộn công tắc tơ Dg.Công tắc tơ Dg mất điện sẽ mở tiếp điểm Dg trên mạch

2.4 Bảo vệ không và cực tiểu

2.4.1 Các khái niệm

Bảo vệ không là bảo vệ mà nó tránh sự làm việc trở lại không mongmuốn của hệ thống khi lưới điện mất và sau đó có trở lại

Để giải quyết vấn đề này người ta dùng rơ le điên áp cực tiểu

Rơ le điện áp cực tiểu có cấu tạo gồm:

+ Cơ cấu thu tín hiệu

+ Cơ cấu trung gian

+ Cơ cấu chấp hành

2.4.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của rơ le điện áp cực tiểu là ở điện áp bình thường,phần ứng của rơ le chịu lực điện từ tác động.khi điện áp hạ dưới mức quy định,lực cản của lò xo sẽ thắng lực điện từ Lúc này phần ứng sẽ đóng hay mở cáctiếp điểm của rơ le Rơ le thực hiện chức năng bảo vệ

Rơ le điện áp cực tiểu có các tham số:

+ Hệ số trở vệ

+ Hệ số khuếch đại

+ Thời gian tác động

Rơ le điện áp cực tiểu thường được mắc trong các mạch điều khiển.Tiếpđiểm của rơ le điện áp cực tiểu sẽ đưa điện áp vào các cuộn dây của các rơ le

và các công tắc tơ trong mạch điều khiển

Hình 2.6: Sơ đồ nguyê lý rơ le điện áp

Rơ le điện áp được mắc cùng bộ khống chế nó hoạt động theo nguyêntắc:

Khi tiếp điểm của bộ khống chế đóng, cuộn hút của rơ le có điện.Nóđóng tiếp điểm RA trên bộ khống chế, điện áp được đưa vào mạch điều khiển

Giả sử điện áp hạ xuống mức quy định, RA đạt tới giá trị nhả và nhả ra,tiếp điểm RA mở ngắt điện vào mạch điều khiển Điều này làm toàn bộ rơ le vàcông tắc tơ trong mạch điều khiển không có điện vào cuộn hút, dẫn đến các tiếpđiểm trên mạch mở ra.Đặc tính bảo vệ được thực hiện

1RN3RM2RM1RMKC1

RA

A

2RNORA

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DÙNG THIẾT BỊ BÁN DẪN

Tất cả các sự cố vì lý do gì, khi xảy ra yếu cầu phải được bảo vệ ngaylưới điện khi sự cố còn chưa gây ra tác hại

Đối với các thiết bị bảo vệ dùng rơ le, công tắc tơ các đặc tính bảo vệcủa thiết bị này đủ tin cậy nhưng kích thước của các thiết bi này lớn gây nhiềukhó khăn cho việc bố trí tủ điện.Hơn nữa trên thị trường hiện nay giá các rơ le,công tắc tơ lại rất cao, thậm chí có những thiết bị không còn trên thị trường

Vì vậy, ở đây ta đưa ra phương án nghiên cứu thay thế các thiết bị nàybằng các thiết bị điện tử có ưu điểm hơn mà vẫn có được đặc tính bảo vệ tối ưu

Mạch bảo vệ bằng linh kiện bán dẫn gồm các phần:

- Nhận tín hiệu cần bảo vệ

- So sánh tín hiệu đâù vào với đại lượng đặt

- Khối chấp hành

3.1 Nhiệm vụ và chức năng của các phần tử dùng trong mạch bảo vệ

3.1.1 Khuếch đại thuật toán

Về hình thức nó giống một transystor bình thường Nó cũng làm nhiệm

vụ khuếch đại điện áp, khuếch đại xung, khuếch đại công suất hoặc các mạchtạo dao động xung

Đối với các bộ khuếch đại, thông thường người ta đánh giá chất lượngcác bộ khuếch đại theo sơ đồ Đối với khuếch đại thuật toán thì tính chất và cáctham số xác định bởi khối tiếp bên ngoài Ưu điểm của khuếch đại thuật toán là

có trở kháng bên ngoài lớn

Khi sử dụng khuếch đại thuật toán ta phải biết được tính chất củanó.Trong các mạch phải biết được cấu trúc bên trong của nó

Hình 3.1: Ký hiệu khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán có đầu vào đảo, đầu vào không đảo, đầu ra vànguồn nuôi (trên hình vẽ)

- Uvd : Đầu vào đảo

- Uvk: Đầu vào không đảo

- Ura : Đầu ra+ Vcc, - Vcc: Nguồn nuôiTheo quy ước nguồn nuôi của khuếch đại thuật toán là Khinguồn là thì điện áp ra bao giờ cũng nhỏ hơn nguồn nuôi Thường nhỏhơn 3v, nhằm tránh bị méo tín hiệu

Ứng dụng của khuếch đại thuật toán để tạo khâu so sánh một cửa.

Khâu so sánh một cửa là khâu so sánh mà tín hiệu đặt và tín hiệu so sánhcùng đưa vào một cửa đảo Ở cửa không đảo ta đưa vào một điện áp phân áp ởđầu ra tạo đường đặc tính rơle thực tế

U đ

R4R3

Uv

U rR1

R2

UvỦr

-Ud

Hình 3.2: Khâu so sánh một cửa

Khâu so sánh làm việc theo nguyên tắc:

Khi < thì ở đầu ra, giá trị điện đầu ra mang dấu của điện áp đầuvào

Còn khi > thì đầu ra, giá trị điện áp đầu ra mang dấu theo giátrị điện áp đặt

Các bộ khuếch đại thông thường được chế tạo dạng vi mạch (IC) Trong

sơ đồ ta sử dụng vi mạch LM324 Trong vi mạch LM324 làm việc cần cónguồn nuôi đơn cực đặt cho nó Nó có thể bị hỏng nếu bị ngắn mạch trực tiếphoặc bị đảo nguồn

Sơ đồ chân của vi mạch LM324

UvUr

+Ud

813

B

Ra

A 14

Phần tử và thực hiện phép nhân logic.Tích của hai biến logic cũng làmột biến logic.Tích này nhận giá trị “0” khi ít nhất một trong hai biến nhận giátrị “0”, nhận giá trị “1” khi cả hai biến có giá trị “1”.

Giá trị vào, ra của phần tử và

Thực tế chế tạo phần tử và trong IC logic 4081, IC họ 40… làm việcchắc chắn, năng lượng tiêu hao nhỏ.IC logic họ 40…thường có 14 chân.07chân và, chân 14 là chân nguồn

Sơ đồ chân của vi mạch 4081

34

+Vcc

89

1011

1213

14

Hình3.5: Sơ đồ chân của vi mạch 4081

b Phần tử và – không

Hình 3.6: Ký hiệu phần tử và - không

Phần tử và – không thực hiên phép nhân đảo.tích của hai biến logic.Tích hai biến đầu ở đầu ra nhận giá trị “1” khi một trong hai biến đầu vào nhậngiá trị “0”, nhận giá trị “0” khi cả hai biến đầu vào mang giá trị “1”

1 1 0

Giá trị vào, ra của phần tử và- không

Phần tử và – không được chế tạo trong IC logic 4011, IC LOGIC 4011chứa 4 phần tử và – không

Sơ đồ chân của IC 4011

Hình 3.7: Sơ đồ chân của IC 4011

c Phần tử hoặc – không

+Vcc

3

89

1011

1213

14

Hình 3.8: Ký hiệu phần tử hoặc - không

Phần tử hoặc – không thực hiện phép cộng đảo logic, tổng của 2 biếnlogic là một biến logic Tổng này nhận giá trị “1” khi cả 2 biến đầu vào đềumang giá trị “0”, tổng này nhận giá trị “0” khi 1 trong 2 biến đầu vào mang giátrị “1”

Giá trị vào, ra của phần tử hoặc- không

Chế tạo phần tử hoặc – không dưới dạng IC lo gic 4001 chứa 4 phần tửhoặc – không

Sơ đồ chân

A

Hình 3.9: Sơ đồ chân của 4001

3.1.3 Ứng dụng của các phần tử logic

Các phần tử logic thường dùng trong các mạch cộng, nhân tín hiệu

Ngoài ra nó còn được ứng dụng để tạo một số khâu như khâu đảo, khâu trễ…

Ứng dụng của phần tử logíc trong việc tạo khâu trễ khi dùng phần tử và

1011

1214

Khi có tín hiệu đầu vào, đầu A lập tức có mức logic “1” nhưng ở đầu Bchưa có tín hiệu ngay vì dòng điện còn nạp cho tụ c, khi tụ c được nạp đầy thìđầu B có mức logic “1” lúc này đầu ra tín hiệu ra chuyển trạng thái!

Thời gian trễ chính là thời gian nạp đầy tụ c để thay đổi thời gian trễ tathay đổi trị số biến trở VR để thay đổi dòng nạp cho tụ c

Ứng dụng phần tử logic tạo khâu đảo:

Xét trường hợp dùng phần tử hoặc – không

Hình 3.11: Phần tử hoặc - không

Tín hiệu ở đầu vào có mức “1” logic thì tín hiệu ở đầu ra có mức “0”logic.Còn khi tín hiệu đầu vào có mức “0” logic thì tìn hiệu đầu ra có mức “1”

lo gic

3.2 Các mạch bảo vệ dùng phần tử không tiếp điểm

3.2.1 Mạch bảo vệ sự cố mất pha và cao thấp điện áp (mạch số 1)

Mạch bảo vệ mất pha và cao thấp điện áp được thiết kế để bảo vệ riêngcho từng pha Tín hiệu đưa vào mạch được lấy từ biến áp 3 pha

Sự hoạt động

Tín hiệu từ máy biến áp 3 pha được đưa qua chỉnh lưu sau đó được phân

áp nhở điện trở R1, R2

Phần báo tín hiệu mất phatín hiệu từ phân áp được đưa đến chân B củatransistor C828 T1 Transistor C828 này mở đưa điện áp +12v đi qua nó, lúc này ởcực E ta coi là có mức logic “1” Mức 1 này đưa vào đầu vào của Ic logic nhân,một phần được đưa vào cực B để kích mở cho T2 T2 mở nguồn điện đưa thẳngxuống đất.

Giả sử khi có sự cố mất pha, tín hiệu từ biến áp ba pha mất Dòng điệnđưa vào cực B của T1 mất, dẫn đến T1 khóa, cực E của T1 có mức logic “0”,dòng kích mở T2 mất nên T2 bị khóa Lúc này nguồn +12v từ chân C củatransistor T2 đi qua led, làm led báo mất pha sáng

Đối với phần bảo vệ cao thấp điện áp ta dùng cơ cấu so sánh Tín hiệu từphân áp sau chỉnh lưu được đưa vào đầu vào ảo chủa khuếch đại thuật toán.Tín hiệu sau phân áp, trước khi được đưa vào đầu vào đảo được đem so sánhvới điện áp đặt âm.Đầu vào không đảo lấy tín hiệu từ phân áp đầu ra để tạođường đặc tính rơ le thực tế

Phần bảo vệ điện áp cao, ta chỉnh điện áp đặt sao cho khi không có sự

cố tín hiệu ra của khuếch đại thuật toán có mức logic “1” Khi có sự cố xảyra( điện áp lưới tăng) làm cho điện áp của biến áp 3 pha tăng Sau khi điện ápsau phân áp tăng quá trị số đặt ban đầu thì ở đầu ra khuếch đại thuật toán cómức logic “0”

Phần bảo vệ điện áp thấp thì ngược lại.ta chỉnh điện áp đặt sao cho khikhông có sự cố thì đầu ra của khuếch đại thuật toán có mức logic “0” Khi có

sự cố đầu ra của khuếch đại thuật toán có mức logic “1”